DE4311849C2 - Sensor zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen von Gasgemischen - Google Patents
Sensor zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen von GasgemischenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Bestimmung von Gas
komponenten und/oder Gaskonzentrationen von Gasgemischen
nach der Patentschrift DE 42 43 734 C1. Mit einem derartigen Sensor ist
die Bestimmung von CO, HC und NOx in Gasgemischen unabhängig vom
Sauerstoffpartialdruck bzw. vom Lambdawert des Gasgemisches möglich.
Die Sauerstoffquerempfindlichkeit wird weitgehend dadurch elimi
niert, daß am Meßelement ständig Sauerstoffüberschuß vorliegt, wobei
der dazu notwendige Sauerstoff von der Pumpzelle zum Meßelement
gepumpt wird. Insofern werden an die Pumpzelle besondere An
forderungen gestellt, ständig ausreichend Sauerstoff zu liefern.
Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß eine leistungsfähige Sauer
stoff-Pumpzelle geschaffen wurde. Dies wird dadurch erreicht, daß
der an der Sauerstoff-Pumpzelle anliegende Sauerstoff bereits inner
halb des porösen Festelektrolytkörpers an den katalysierenden Pump
elektroden in molekularer Form vorliegt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Sensors möglich. Um der Pumpelektrode ausreichend Sauer
stoff zuzuführen ist es besonders vorteilhaft, den zu pumpenden
Sauerstoff über einen Diffusionskanal seitlich dem porösen Fest
elektrolyt zuzuleiten. Ein rationeller Aufbau wird durch einen
Laminatverbund von Keramikfolien erreicht, in denen zumindest der
zum Betreiben des Sensors notwendige Widerstandsheizer integriert
ist, wobei die Verwendung von elektrisch isolierenden
Al2O3-Keramikfolien sich als besonders geeignet herausgestellt
hat. Zweckmäßig ist weiterhin den zu pumpenden Sauerstoffs der
Pumpzelle zusätzlich durch eine in einer Deckschicht eingebrachten
und dem Diffusionsspalt zugeführten Öffnung zuzuleiten, wodurch der
Diffusionswiderstand reduziert werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Sensor,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung entsprechend den Linien II-II gemäß
Fig. 1 und Fig. 3 eine Schnittdarstellung entsprechend den Linien
III-III gemäß Fig. 1.
Der Sensor enthält einen Keramikträger 10, eine elektrochemische
Sauerstoff-Pumpzelle 20 und ein Meßelement 30. Der Keramikträger 10,
besitzt eine erste Keramikfolie 11 aus Al2O3 und eine zweite
Keramikfolie 12 ebenfalls aus Al2O3, zwischen denen ein Wider
standsheizer 13 eingebettet ist.
Gemäß Fig. 2 und 3 ist auf der Großfläche der zweiten Keramikfolie
12 eine äußere Pumpelektrode 21 angeordnet, auf der ein poröser
sauerstoffionenleitender Festelektrolyt 23 aus beispielsweise
Yb2O3- oder Y2O3-stabilisiertem Zirkoniumoxid aufgebracht
ist. Die äußere Pumpelektrode 21 ist mit einer auf der zweiten
Keramikfolie 12 geführten Leiterbahn 25 verbunden. Auf die zweite
Keramikfolie 12 und über die Leiterbahn 25 ist bis zum Festelektro
lyt 23 eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 14 gelegt, welche
zweckmäßigerweise die Stärke des Festelektrolyten 23 aufweist und
aus Al2O3 besteht. Auf dem Festelektrolyt 23 ist der äußeren
Pumpenelektrode 21 gegenüberliegend eine innere Pumpenelektrode 22
angeordnet. Die innere Pumpenelektrode 22 ist mit einer auf der
Zwischenschicht 14 angeordneten weiteren Leiterbahn 26 verbunden.
Die Pumpenelektroden 21, 22 sind Cermet-Elektroden, vorzugsweise mit
einem vollstabilisierten ZrO2-Schutzgerüst.
Über der Pumpzelle 20 befindet sich eine Abdeckfolie 15, welche sich
aus einer ersten Isolationsschicht 27 und einer zweiten Isolations
schicht 28 zusammensetzt. Beide Isolationsschichten 27, 28 bestehen
beispielsweise aus Al2O3. In der Abdeckschicht 15 ist gemäß
Fig. 1 eine Aussparung 17 und seitlich daneben jeweils eine Öffnung
18 vorgesehen. Die Aussparung 17 ist so angeordnet, daß sie über der
Pumpzelle 20 liegt und bis auf die innere Pumpelektrode 22 reicht.
In der Aussparung 17 ist das Meßelement 30 angeordnet. Als Meß
element 30 wird im vorliegenden Beispiel ein Halbleitergassensor
verwendet. Dazu ist in der Aussparung 17 auf die innere Pump
elektrode 22 eine poröse Isolationsschicht 31, beispielsweise aus
Al2O3 aufgebracht. Auf der porösen Isolationsschicht 31 befinden
sich zwei nebeneinander angeordneten Meßelektroden 32,
beispielsweise aus Platin. Die beiden Meßelektroden 32 verfügen
jeweils über eine Meßelektrodenleiterbahn 33, welche zwischen den
beiden Isolationsschichten 27 und 28 geführt werden. Über die beiden
Meßelektroden 32 ist eine halbleitende Metalloxidschicht 34 gelegt,
welche beispielsweise aus SnO2 besteht. Die Metalloxidschicht 34
ist mit einer porösen Schutzschicht 35 abgedeckt, welche zweck
mäßigerweise bündig mit der Oberfläche der zweiten Isolationsschicht
28 abschließt.
Die beiden neben der Aussparung 17 angeordneten Öffnungen 18 führen
gemäß Fig. 3 zu jeweils einem der Pumpzelle 20 zugeführten seit
lichen Kanal 19. Die beiden Kanäle 19 sind zum Schutz der Pumpzelle
20 zweckmäßigerweise mit einem porösen Diffusionskörper 24, bei
spielsweise aus ZrO2 gefüllt. Es ist gleichfalls denkbar, die
Öffnungen 18 ebenfalls mit einem derartigen porösen Diffusionskörper
zu versehen. Die Pumpzelle 20 ist von der schmalen Frontseite 16 des
Sensors zurückversetzt, so daß sich zur Frontseite 16 hin zusätzlich
ein frontseitiger Kanal 29 zur Pumpzelle 20 hin ausbildet, welcher
ebenfalls mit dem Diffusionskörper 24 ausgefüllt ist. Es ist
andererseits aber auch denkbar, die Kanäle 19 und 29 ohne Verfüllung
auszuführen.
Zum Betreiben des Sensors wird eine Pumpspannung an die Pumpelektro
den 21, 22 angelegt und über eine bekannte Regelungsschaltung, wie
sie zum Beispiel in der SAE-Veröffentlichung 86 04 08 beschrieben
ist, an der inneren Pumpelektrode 22 einen konstanter Sauerstoff
partialdruck eingestellt, so daß sich gemäß der Erfindung der Sauer
stoff im Überschuß gegenüber den zu messenden Gaskomponenten be
findet. Beispielsweise wird der Sauerstoffpartialdruck zwischen 2
und 10% des Gesamtdrucks des Meßgases gewählt. Der konstante Sauer
stoffpartialdruck entspricht auch dem am Meßelement 30 anliegenden
Sauerstoffpartialdruck.
Zum Betreiben des Sensors kann entweder die Pumpzelle 20 und das
Meßelement 30 in das Meßgas eingetaucht werden. Hierbei pumpt die
Pumpzelle 20 molekularen Sauerstoff oder Sauerstoff aus sauerstoff
haltigen Verbindungen aus dem Meßgas über die äußere Pumpelektrode
21 ab. Es ist aber genauso denkbar, nur das Meßelement 30 mit dem
Meßgas in Berührung zu bringen und die Pumzelle 20 mit den Kanälen
19, 29 und den Öffnungen 18 einem Referenzgas auszusetzen, aus dem
der Sauerstoff abgepumpt wird.
Die auf dem Keramikträger 10 aufgebrachten Schichten sind vorzugs
weise in Dickschichttechnik ausgeführt. Die dazu eingesetzte Sieb
drucktechnologie ist hinlänglich bekannt. Es ist aber genauso denk
bar, die auf dem Keramikträger 10 angeordneten Schichten als Folien
auszuführen, so daß der Sensor insgesamt als Laminatverbund aufge
baut ist. Der poröse Festelektrolyt 23 ist zwecks Anpassung der
thermischen Ausdehnungskoeffizienten vorteilhaft als Mischkeramik
aus stabilisiertem ZrO2 und Al2O3, vorzugsweise in einem Ver
hältnis von 1 : 1 ausgeführt.
Claims (10)
1. Sensor zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Gaskonzentra
tionen von Gasgemischen, insbesondere von CO, NOx und HC in Ab
gasen von Verbrennungsmotoren, mit einem einen sensitiven Bereich
aufweisenden Meßelement und mit einer Pumpzelle mit auf einem Fest
elektrolyt angeordneten Pumpelektroden, die einen Sauerstofftransfer
zum Meßelement bewirken, nach DE 42 43 734 C1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Festelektrolyt (23) der Pumpzelle (20) porös
ausgeführt ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
ein Diffusionskanal (19, 29) für den zu pumpenden Sauerstoff vorge
sehen ist, welcher seitlich an den porösen Festelektrolyt (23)
herangeführt ist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
poröse Festelektrolyt (23) aus einer Mischkeramik aus stabilisiertem
ZrO2 und Al2O3, vorzugsweise im Verhältnis 1 : 1 besteht.
4. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Diffusionskanal (19, 29) mit einem Diffusionskörper (24) verfüllt
ist.
5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpzelle
(20) auf mindestens ein elektrisch isolierendes Substrat (10) in
Dickschichttechnik aufgebracht ist.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat
(10) zumindest einen Laminatverbund (11, 12) für ein Widerstands
heizelement (13) aufweist.
7. Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das
Substrat (10) mit mindestens eine Deckschicht (15) versehen ist, in
welcher über der Pumpzelle (20) eine Aussparung (17) vorgesehen ist,
und daß in der Aussparung (17) das Meßelement (30) angeordnet ist.
8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Deck
schicht (15) mindestens eine Öffnung (18) vorgesehen ist, welche zu
mindestens einem der seitlichen Diffusionskanäle (19, 29) geführt
ist.
9. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aus
sparung (17) eine über die Pumpelektrode (22) gelegte poröse Diffu
sionsschicht (31) vorgesehen ist, über welcher sich das Meßelement
(30) befindet, wobei über die poröse Schicht (31) der Sauerstoff von
der Pumpzelle (20) zum Meßelement (30) diffundierbar ist.
10. Sensor nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das
Meßelement (30) ein Halbleitergassensor ist.
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